大豆分离蛋白起泡性和乳化性影响因素的研究

肖连冬，程爽，李杰

大豆分离蛋白起泡性和乳化性影响因素的研究

肖连冬，程爽，李杰

（南阳理工学院生物与化学工程学院，河南南阳473004）

大豆分离蛋白的乳化性和起泡性与蛋白质、NaCl、卡拉胶、蔗糖和山梨酸钾含量、pH值、加热温度等密切相关。蛋白质质量浓度分别为2.0g/100mL和2.5g/100mL时，大豆分离蛋白乳化性和起泡性分别达到最大值；远离pH4.5，大豆分离蛋白起泡性和乳化性增加；加热温度45℃时起泡性最好，而乳化性最差；氯化钠、卡拉胶、山梨酸钾添加量分别为1.00g/100mL、0.20g/100mL、0.08g/100mL时，起泡性和乳化性好；添加蔗糖会使蛋白质的起泡性下降，而蔗糖添加量6.0g/100mL时乳化性好。

大豆分离蛋白；乳化性；起泡性；影响因素

大豆分离蛋白是一种优质天然植物蛋白，目前被广泛应用于食品加工的各个领域，一方面是由于大豆蛋白质自身丰富的营养价值，另一方面是由于大豆分离蛋白具有许多优良的功能特性。起泡性和乳化性是大豆分离蛋白的两个重要性质。凡是影响大豆蛋白内在结构及其聚集状态的因素，必然影响其起泡性能，所以，除蛋白质内在属性外，其他一些外在因素及与其他食品组分间相互作用，对起泡性能也有影响；大豆分离蛋白属于典型的氨基酸型表面活性剂，在实际应用中则表现出乳化功能，能使脂肪和水形成稳定的乳胶体系[1-2]。

蛋白质的功能性质与蛋白质在食品体系中的用途有着十分密切的关系，而在实际食品生产加工过程中，蛋白质功能特性的运用和发挥受许多因素的影响[3]。实际应用表明，一种大豆分离蛋白难于同时兼具多种功能特性，而生产上需求的却是具有专项最佳功能或兼具某几种功能平衡点的产品[4]。

本实验对影响大豆分离蛋白乳化性和起泡性的外在因素如温度、pH、离子强度及食品添加剂的使用等进行研究，以期寻求兼具两种功能特性的大豆分离蛋白在食品加工中应用及与外界影响因素间的密切关系，为大豆分离蛋白在食品工业上的具体应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大豆分离蛋白（蛋白质含量为91.94%）：北京奥博星生物技术有限责任公司；福临门一级大豆色拉油：北海粮油工业（天津）有限公司；卡拉胶：石狮琼脂副食品加工厂；山梨酸钾：王龙集团有限公司；蔗糖：市售。

1.2 仪器与设备

TCL-16高速台式离心机：上海医用分析仪器厂；BS-210S电子天平：北京塞多利斯天平有限公司；85-1磁力搅拌器：苏州江东精密仪器有限公司；pH-3C精密PH计：上海精密科学仪器有限公司；HHS21-4电热恒温水浴锅：上海跃进医疗器械厂；D120-2F电动搅拌机：杭州仪表电机厂。

1.3 试验方法

1.3.1 起泡性、乳化性测定方法[5]

起泡性测定：将一定浓度的大豆蛋白溶液5mL置于刻度试管中，激烈振荡3min，立即记录溶液上部出现的泡沫体积，试验重复3次，取平均值，按下式计算起泡性。

乳化性测定：量取5mL大豆分离蛋白溶液，加入5mL色拉油搅拌1min，形成乳化液，再以2 500r/min离心5min，测量离心管中乳化液体积，试验重复3次，取平均值，按照下式计算乳化性。

1.3.2 蛋白质含量测定方法

用于测定原料中蛋白质的含量。采用凯氏定氮法，参照文献[6]进行。

2 结果与分析

2.1 蛋白质质量浓度对大豆分离蛋白起泡性和乳化性的影响

在室温下将大豆分离蛋白分别配制成质量浓度为1.0g/100mL、1.5g/100mL、2.0g/100mL、2.5g/100mL、3.0g/100mL的溶液各5mL，剧烈振荡3min，立即记录溶液上部出现的泡沫体积，计算出起泡性。待泡沫消去后，分别加入5mL色拉油搅拌1min，2 500r/min离心5min，分别测定离心管中乳化层的体积，计算出乳化性，结果见图1。

图1 蛋白质质量浓度对大豆分离蛋白起泡性和乳化性的影响Fig.1 Effect of protein mass concentration on foaming properties and emulsifying properties of SPI

由图1可知，在蛋白质质量浓度为1.0～2.5g/100mL时，起泡性随蛋白质质量浓度增加而增大，在蛋白质质量浓度为2.5g/100mL时起泡性最大，超过2.5g/100mL以后趋于平稳。这是因为随着蛋白质量浓度的增加，蛋白质聚集状态的改变，产生了较小的气泡和较硬的泡沫，发泡力会有所提高，当其质量浓度达到一定数值时，蛋白质间相互作用导致形成较厚的吸附膜，对泡沫的稳定有益。

在蛋白质质量浓度为1.0～2.0g/100mL时，乳化性逐渐升高，在2.0g/100mL时达到最高，2.0～2.5g/100mL乳化性略有所下降，在2.5g/100mL后变化不大。大豆分离蛋白属于氨基酸型表面活性剂，具有一定乳化能力，能使脂肪和水形成稳定的乳胶体系[7]。能形成稳定胶束的乳化剂（蛋白质）最低浓度称为临界胶团浓度，当蛋白质质量浓度低时（临界胶团浓度以下），随着蛋白质质量浓度升高，表面张力减小，乳化性增加，当质量浓度上升到一定程度时（临界胶团浓度），蛋白质分子进行自聚集，形成胶团，乳化性更高，当乳液达到一定浓度后，乳化性不再升高。胶团并非一成不变的刚性结构，会解体和重新生成，过高的蛋白质含量可能会影响胶团的稳定使其乳化性有所降低。

2.2 pH值对大豆分离蛋白起泡性和乳化性的影响

在室温下取质量浓度为2.0g/100mL的蛋白质溶液，分别调节pH值为4.0、4.5、5.0、5.5、6.0，激烈振荡3min，测定其起泡性。待泡沫消去后，分别加入5mL色拉油搅拌1min，2 500r/min离心5min，测定其乳化能力，结果见图2。

图2 pH值对大豆分离蛋白起泡性和乳化性的影响Fig.2 Effect of pH on foaming properties and emulsifying properties of SPI

由图2可知，pH值对大豆分离蛋白起泡性和乳化性影响情况相似。pH值在等电点4.5（大豆中大多数蛋白质等电点在pH4.5）时，其起泡性和乳化性均为最小，远离等电点两侧呈上升趋势。这是因为蛋白质的乳化性和起泡性均与其溶解度有关。

对起泡性而言，只有可溶性蛋白将参与泡沫的形成，在等电点处可溶性蛋白浓度很低，形成的泡沫量也将很少。但这些不溶性蛋白吸附到界面上则有利于泡沫的稳定，这可能是由于增加了蛋白膜上的黏性力。当大于或小于等电点时，蛋白质由于带电荷，在水中的溶解度增加，起泡性增加。

对乳化性而言，真正起到乳化作用的是可溶性蛋白质。在pH值4.5时，蛋白质的静电荷为零，溶解度最低，乳化性达到最低，远离等电点时蛋白质的溶解度增大，参与乳化作用的蛋白质分子就越多，从而增强油/水界面之间的薄膜的形成，且带有电荷，防止或减缓液滴絮凝和聚结，乳化性逐渐上升[8]。

图2结果表明，在pH值大于4.5后，大豆分离蛋白起泡性和乳化性随pH值的增加而增加，pH值为6.0时，起泡性和乳化性最大。

2.3 温度对大豆分离蛋白起泡性和乳化性的影响

在pH值自然，不加离子，蛋白质质量浓度为2.0g/100mL，分别在40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃不同加热温度下，测定其起泡性和乳化性，结果见图3。

图3 温度对大豆分离蛋白起泡性和乳化性的影响Fig.3 Effect of temperature on foaming properties and emulsifying properties of SPI

由图3可知，在测定的温度范围内，起泡性先增后降，最后趋于平衡。温度低于45℃之前，随着温度的升高，蛋白质水溶性增大，起泡性随温度的升高而增大，至45℃时达到最大值，温度高于45℃时，起泡性先迅速下降后逐步变缓，因随着加热温度的提高，蛋白质的四、三、二级结构均遭到破坏，变性作用不再可逆，疏水性增加，此时蛋白质与水的作用大大减弱，这使得蛋白质的溶解度剧烈下降，蛋白质的起泡特性也会变差。

对于乳化性来讲，在40～45℃的区域内呈现下降趋势，在45℃之后随温度的升高而上升，到60℃时达到最大值。大于60℃后随着温度的升高，蛋白质开始变性，其高级结构适当展开，不但链节变得更加柔顺，且暴露更多的憎水基团，使蛋白质分子呈有序排列，更易吸附在界面上，从而提高了蛋白质的乳化性质[9]。

2.4 离子强度对大豆分离蛋白起泡性和乳化性的影响

在pH自然，蛋白质质量浓度为2.0g/100mL，氯化钠的质量浓度分别为0.25g/100mL、0.50g/100mL、1.00g/100mL、2.00g/100mL、3.00g/100mL的条件下，室温下分别测定其起泡性和乳化性，结果见图4。

图4 氯化钠加量对大豆分离蛋白起泡性和乳化性的影响Fig.4 Effect of NaCl addition on foaming properties and emulsifying properties of SPI

由图4可知，NaCl质量浓度对蛋白质的起泡性和乳化活性的影响相似，在氯化钠质量浓度低于1.00g/100mL时，起泡性随着氯化钠质量浓度的升高而呈上升趋势，在1.00g/100mL时达到最高，之后呈下降趋势。氯化钠质量浓度较低时蛋白质乳化性随其质量浓度的增加而增大，氯化钠质量浓度超过1.00g/100mL后稍降。离子强度对蛋白质的起泡性和乳化活性的影响相似主要取决于蛋白质在盐溶液中的溶解度特性。适当增加NaCl质量浓度对蛋白质有盐溶作用，但高离子强度会对蛋白质产生静电屏蔽作用，从而降低蛋白质在水中的溶解度，最终导致蛋白质起泡性和乳化性的降低[10]。

2.5 卡拉胶质量浓度对大豆分离蛋白起泡性和乳化性的影响

在pH自然，蛋白质质量浓度为2.0%，卡拉胶的质量浓度分别为0.1g/100mL、0.2g/100mL、0.3g/100mL、0.4g/100mL、0.5g/100mL的条件下，室温条件下分别测定其起泡性和乳化性，其结果见图5。

图5 卡拉胶添加量对大豆分离蛋白起泡性和乳化性的影响Fig.5 Effect of carrageenan addition on foaming properties and emulsifying properties of SPI

由图5可知，卡拉胶质量浓度为0.1～0.2g/100mL时，大豆分离蛋白的起泡性和乳化性随着卡拉胶质量浓度的增高而增大，在卡拉胶质量浓度为0.2g/100mL时达到最大值，卡拉胶质量浓度超过0.2g/100mL后，其起泡性和乳化性随卡拉胶质量浓度的增高而减小。

卡拉胶是由半乳糖及脱水半乳糖通过α-1，3糖苷键和β-1，4键交替连接而成的含有硫酸酯基团的高分子线性多糖，结构中的硫酸酯具有强阴离子性，加之空间结构，显示其与蛋白质（带电基团）的反应性[11]，因此卡拉胶的加入会对蛋白质的特性产生影响，这种影响受蛋白质的等电点、体系pH、卡拉胶的加量等的变化而变化[12]。

2.6 蔗糖质量浓度对大豆分离蛋白起泡性和乳化性的影响

在pH自然，蛋白质质量浓度为2.0g/100mL，选择蔗糖的质量浓度分别为2.0g/100mL、4.0g/100mL、6.0g/100mL、8.0g/100mL、9.0g/100mL，室温条件下测定其起泡性和乳化性，结果见图6。

图6 蔗糖添加量对大豆分离蛋白起泡性和乳化性的影响Fig.6 Effect of saccharose addition on foaming properties and emulsifying properties of SPI

蔗糖质量浓度对大豆分离蛋白的起泡性有一定的影响，随着蔗糖质量浓度的不断提高，其蛋白质的起泡性逐渐下降。这是由于随着蔗糖质量浓度逐渐增大，相对黏度整体增加，蛋白质分子在界面上时较难展开[13]，因此降低了蛋白质在搅打时产生大的界面面积和泡沫体积的能力，造成蛋白质的起泡性下降。

蔗糖质量浓度在2.0～6.0g/100mL范围内，随着蔗糖质量浓度的提高，其乳化性随之提高，可能因为蔗糖的添加改变了水相介质的流变特性[14-15]，增加了体系的黏稠度，从而提高其乳化性，并在蔗糖质量浓度为6.0g/100mL时，乳化性达到最大值，但当蔗糖质量浓度＞6.0g/100mL，其乳化性随之下降，可能较高的糖浓度对水分的的争夺，造成蛋白质溶解度降低，乳化性下降。

2.7 山梨酸钾质量浓度对大豆分离蛋白起泡性和乳化性的影响

在蛋白质质量浓度为2.0g/100mL，分别调节山梨酸钾的质量浓度为0.02g/100mL、0.05g/100mL、0.08g/100mL、0.10g/100mL、0.12g/100mL，室温条件下测定其起泡性和乳化能力，结果见图7。

图7 山梨酸钾添加量对大豆分离蛋白起泡性和乳化性的影响Fig.7 Effect of potassium sorbate addition on foaming properties and emulsifying properties of SPI

由图7可知，山梨酸钾的质量浓度对于大豆分离蛋白的起泡性和乳化性均有影响，在山梨酸钾质量浓度为0.02～ 0.08g/100mL时，其随着山梨酸钾浓度升高而增加，并在质量浓度为0.08g/100mL时达到最高，之后随山梨酸钾浓度升高而呈下降趋势。山梨酸钾最大用量不超过0.1g/100mL。

3 结论

在食品生产加工过程中，蛋白质功能特性的运用和发挥受许多因素的影响。通过对大豆分离蛋白的起泡性和乳化性影响因素试验可以看出，蛋白质质量浓度、加热温度、pH值、离子强度、卡拉胶质量浓度、蔗糖添加量以及山梨酸钾使用量对大豆分离蛋白的起泡性和乳化性均有不同程度影响。蛋白质质量浓度分别为2.0g/100mL和2.5g/100mL时，大豆分离蛋白乳化性和起泡性分别达到最大值；远离pH4.5，大豆分离蛋白起泡性和乳化性增加；加热温度45℃，起泡性最好，而乳化性最低；氯化钠、卡拉胶、山梨酸钾添加量分别为1.00g/100mL、0.2g/100mL、0.08g/100mL时，起泡性和乳化性好；添加蔗糖会使蛋白质的起泡性下降，而蔗糖加量6.0g/100mL时乳化性好。因此，在实际应用中需要兼具大豆分离蛋白的乳化性和起泡性时，应综合考虑这些因素，寻求功能特性平衡点，使蛋白质的功能性质在产品中发挥其最大优势，以提高产品质量。

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Influence factors of foaming properties and emulsifying properties of soybean protein isolate

XIAO Liandong,CHENG Shuang,LI Jie
(Department of Biology and Chemical Engineering,Nanyang Institute of Technology,Nanyang 473004,China)

The foaming properties and the emulsification capabilityof soybean protein isolate(SPI)were closelyrelated to protein content,NaCl content, carrageenan content,sucrose content,potassium sorbate content,pH,heating temperature and so on.The emulsification capability and foaming properties of SPI reached the maximum when the protein content was 2.0g/100ml and 2.5g/100ml,respectively.The pH far from 4.5,the emulsifying properties and foaming properties increased.When the heating temperature was 45℃,the emulsifying property was the best and the foaming property was the worst.The optimum formula for SPI was NaCl 1.00g/100ml,carrageenan 0.2g/100ml,and potassium sorbate 0.08g/100ml,under such condition,the emulsifying properties and foaming properties were the best.Sucrose addition could decrease the foaming properties of SPI.However, 6.0g/100ml addition of sucrose could evidently improve the emulsifying properties of SPI.

soybean protein isolate;emulsifying properties;foaming properties;influence factors

TS214.2

A

0254-5071（2014）04-0083-04

10.3969/j.issn.0254-5071.2014.04.020

2014-03-02

河南省教育厅项目（201211653011）

肖连冬（1964-），女，教授，硕士，研究方向食品生物技术。